《钻完井工程》课程实验指导书

《钻完井工程》课堂实验/实践指导书课程中文名称：钻完井工程课程英文名称：DrillingandWellCompletionEngineering课程编号：020060190适用专业：新能源科学与工程学时数：总课时48，其中：理论42、实验6学分数：3课程类别：专业课程应开课学期：第五学期实验/实践一：钻井液性能参数测定实验/实践类型：演示实验/实践学时：4实验/实践要求：必做一、实验/实践目的1．熟悉钻井液的配制和组成，认识并使用测试仪器和主要器皿；2．掌握各种仪器性能及使用方法，熟悉钻井液相对密度、粘度、含砂量和泥浆失水量等性能测定的操作方法；3．加深对理论知识的理解，培养动手和动脑相结合的实际操作能力。二、实验/实践内容1．掌握相对密度的定义，了解相对密度的测量方法，认识比重秤的使用方法；2．掌握粘度的定义，了解粘度的测量方法，认识粘度计的使用方法；3．掌握含砂量的定义，了解含砂量的测量方法，认识含砂测定仪的使用方法；4．掌握失水量的定义，了解失水量的测量方法，认识泥浆失水量测定仪的使用方法。三、仪器设备（1）相对密度的测量：小烧杯、比重秤、镊子、砂粒；（2）粘度的测量：粘度计、1000mL的量筒；（3）含砂量的测量：含砂量测定仪、小软刷、洗瓶；（4）泥浆失水量的测量：泥浆失水量测定仪、空气压缩机。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤一、实验原理：（1）相对密度是指某一物体的重量与40℃时的同体积的纯水重量之比，泥浆相对密度的大小，取决于泥浆中固相的含量以及液相中可溶盐的数量。ANB-1比重秤是用于测定泥浆比重的器具，单位为g/cm3,测量范围为0.96-3.00g/cm3，测量先用清水校正仪器，直接将泥浆灌在泥浆杯中，移动游码，平衡后读出游码左侧的刻度，即为泥浆的相对密度值。（2）将泥浆看成是塑性流体，一般可以用塑性粘度、表观粘度来表示，同时考虑动切力的影响。塑性粘度和动切力的关系为：仿照牛顿型粘度表示法，表观粘度用下式表示为，单位为（泊或厘泊）可见表观粘度等于塑性粘度和动切力与流速梯度的比值之和。目前钻场采用的野外漏斗粘度计来测量泥浆的粘度，它属于表观粘度的一种表示方法，它相对地反映出泥浆稠度的变化，随剪切速率而变化。1006型泥浆粘度计用于测量泥浆粘度的计量器，泥浆的粘度是由粘度计中流出500立方厘米的泥浆所需的时间来表示：单位为秒。用秒表测出通过漏斗500ml清水的时间（用于校正），用秒表测出通过漏斗500ml泥浆的时间，然后可按下式换算，即（3）泥浆含砂量是指泥浆中大于0.02mm的砂粒占泥浆总体积的百分数。在过滤筒上装有200目的小筛网，小于0.02mm的颗粒通过筛网，大于0.02mm的颗粒就留在筛网上。ANA-1型含沙量测定器由一只装有200目筛网的滤筒和与滤筒直径相应的漏斗及一只具有0-100%计量刻度的玻璃测管组成，可以直接读出结果。将100mL泥浆装入量杯中；用水冲洗；剩余的砂粒转移入干净的量杯中，读出数据。（4）泥浆在孔内压力差的作用下，泥浆中的自由水会透过孔壁岩石小裂隙或孔隙而失去，留在孔壁上的是一层泥皮，这就是泥浆的失水。从孔内泥浆情况看，泥浆失水可分为三种情况：孔底失水、动失水和静失水。实验室内测量的泥浆失水量是静失水量，是在一定压力差、一定过滤面积和一定时间内从泥浆中滤出水量的多少。ANS-1型气压式失水仪由打气筒（或空气压缩机）提供的压缩空气，经减压阀后可调整为所需要的压力值送往泥浆杯，（进入泥浆杯的通道由放气阀控制）杯内的泥浆因压差失水。当压力表指针稳定在7公斤/厘米2时，计时30分钟，所流出的滤液即为该泥浆的失水量。（当测量7.5分钟时失水量已大于8毫升，此时的失水量乘以2，即为该泥浆的近似失水量，但需在记录中注明测定时间为7.5分钟）二、实验步骤相对密度测量：（1）校正仪器：泥浆杯中装满清水，注意齐平杯口，不要留有气泡，将杯盖轻轻盖上，擦拭多余的水擦净。然后把标尺的刀口防盗底座的刀承上去，将游码缓缓移动，当水泡位于中央时，标尺呈水平状态，游码左侧所示刻度，若为1，则可以测量；若不为1，则可将比重秤的平衡圆柱盖旋开，增减圆柱内的砂粒，使测得的比重为1即可。（2）测量：将泥浆灌在泥浆杯中（方法同1），移动游码，使杠杆成水平状态（水平泡位于中央）；读出游码左侧的刻度，即为泥浆的相对密度值；如需测得泥浆比重（2-3）g/cm3范围时，须将平衡圆柱旋开，然后将平衡重锤放入，旋上螺旋盖即测得（测量方法及步骤同上）。（3）清洗并擦干泥浆杯及盖等，收入箱内。粘度测量：（1）先将粘度计冲洗干净，用手堵住漏斗下端口，向漏斗中注入700mL清水；将秒表归位，记录清水流出500mL的时间；测试粘度计流过500mL清水的时间如不是15s，说明仪器不标准。（允许误差为±0.5s，误差过大时，仪器不能使用）；（2）测量将泥浆搅拌1分钟，然后用量杯将500及200毫升的泥浆通过筛网注入粘度计，其流出口用手堵住不使流出；（3）将500mL的量杯置于流出口下，放开堵口，同时启动秒表，待泥浆流满500量杯，达到它的边缘时，停表，记下泥浆流出时间，即为该泥浆的粘度水值；（4）清洗并擦干仪器（防止生锈），收入箱内。含砂量测量（1）把泥浆充至测管上标有“泥浆”字样的刻线处，加清水至标有“水”的刻线处，堵死管口并摇挣；（2）倾倒该混合物于滤筒中，丢弃通过滤筛的液体，再加清水于测管中。摇振后再倒入滤筒中，反复之，直至测管内清洁为止；（3）用清水冲洗筛网上所得的沙子，剔出残留泥浆；（4）把漏斗套进滤筒，然后慢慢翻转过来，并把漏斗嘴插入测管内。用清水把附在筛网上的砂子全部冲入管内；（5）待砂子沉淀后，读出砂子的百分含量；（6）清洗并擦干仪器，收入箱内。失水量测量：（1）在实验台上将仪器平稳安放，用食指堵住泥浆杯底部小孔，倒进泥浆（大半杯）放好密封圈及滤纸，旋紧杯盖，倒转后装入三通接头，卡上量筒；（2）卡上气筒夹，并启动打气筒（或空气压缩机），使蓄气包的压力达到9公斤/厘米2以上（由蓄气包上的压力表指示）；（3）旋进减压阀使压力表达到7公斤/厘米2左右；（4）慢慢退出放气阀至压力表指针有所下降，再迅速旋进减压阀手柄使气压升至7公斤/厘米2，同时开始计时。读取规定时间内量筒内的水量，即为测试泥浆的失水量；（5）失水测量完毕后，旋进放气阀至阀上小孔出气为止。待泥浆杯内压缩空气放空后，取下泥浆杯，倒转后拧开杯盖，取下滤纸。用水冲掉泥饼表面的泥浆，即可测量泥浆厚度；（6）断开气源，松开减压阀手柄；（7）清洗并擦干泥浆杯及盖等，收入箱内。五、实验/实践结果处理（1）相对密度所测泥浆试样的相对密度=g/cm3（2）粘度所测=15×=cP（3）含沙量（直接读出）所测泥浆试样的含沙量=%（4）失水量所测泥浆试样的失水量=mL/30min或7.5min测得失水mL，认为所测泥浆试样的失水量=2×mL/30min六、实验/实践注意事项1．实验一般不允许学生请假，确因特殊情况需要请假，须事先经指导教师和主管教学院长批准；2．实验期间，不得迟到、早退，有事必须向指导教师请假，不得擅自离队。必须服从指挥、注意听讲、认真参观、多加思考、记好笔记；3．严格遵守组织纪律，禁止进入受限空间，遵守纪律，注意安全，未经实验室老师的许可，不得乱动任何设备。4．测相对密度实验开始前和结束后，均应该将主刀口放离主刀垫，如主刀口常时间放在主刀垫上，会使刀口钝化，影响测试精确度。5．测含沙量的过程中冲洗泥浆时注意不能用手接触过滤网，以免将200目的过滤网捅破而导致实验失败。6．泥浆失水量的减压阀与放空阀易损坏，希望大家使用过程小心，慢拧，不可频繁来回拧。七、预习与思考题1、测试失水量实验的刚开始滤液浑浊，慢慢变清，分析原因？2、钻井液含沙量与密度对钻井的影响？3、对比漏斗粘度和六速旋转粘度计测试结果？实验/实践二：压裂液、支撑剂性能参数测定实验/实践类型：演示实验/实践学时：2实验/实践要求：必做一、实验/实践目的1．熟悉压裂液的配制和组成，认识并使用测试仪器和主要器皿；2．掌握各种仪器性能及使用方法，熟悉压裂液表观粘度、流变性、滤失性、压裂液滤液对岩心基质渗透率损害率、破胶性能压裂液残渣含量、压裂液与地层流体配伍性、压裂液交联时间和压裂液降阻率等性能测定的操作方法；3．加深对理论知识的理解，培养动手和动脑相结合的实际操作能力。二、实验/实践内容1．结合课本知识掌握压裂液性能各项参数的定义，了解各项参数的测定原理；2．了解并认识压裂液表观粘度、流变性、滤失性、压裂液滤液对岩心基质渗透率损害率等性能测定所需仪器设备及使用方法，熟悉各项参数测试流程以及操作过程中的规章和规定；3．学习数据处理，了解观粘度、流变性、滤失性、压裂液滤液对岩心基质渗透率损害率等参数的计算方法，综合分析压裂液性能参数。三、仪器设备药物天平：感量0.lg；电子天平：感量0.000lg；搅拌器：吴茵（waring)混调器或同类产品，电动搅拌器粘度计：RV2旋转粘度计，Fann-35粘度计，品氏毛细管粘度计；交流稳压电源：额定功率1kVA；调压变压器：额定功率1kVA；电热恒温水浴锅：工作温度为室温〜100℃±1℃；电热恒温干燥箱；工作温度为室温〜200℃±1℃；气体渗透率测定仪；高温高压岩心流动试验仪；高温高压滤失仪及配套NO988滤纸或同类产品；真空泵：抽气流量2〜4L/s，额定真空度6.66×10-2Pa；离心机：转速为0〜4000r/min，配套离心管，其容量为50mL；圆环法界面张力仪：符合GB/T6541的规定；挂片法界面张力仪：符合SY/T5370的规定；悬滴法界面张力仪：符合SY/T5617的规定；密度计：精度±0.0001g/cm3；玻璃过滤漏斗；生物显微镜。四、实验/实践原理、方法、手段和步骤一、实验原理：滤失量：在规定的实验温度、压力和时间内，压裂液通过滤纸或岩心所滤出的总液量。初滤失量：是时间为零时单位面积上的滤失量，即在直角坐标上，以滤失量为纵坐标，以滤失时间平方根为横坐标画曲线，取其直线段延长，得到与纵坐标相交的截距，其与滤失面积的比值，m3/m2。滤失速度：单位滤失时间内、单位面积上的滤失暈，m/min。滤失系数：单位滤失时间平方根内、单位面积上的滤失量，m/min。岩心基质渗透率损害率：在一定温度、压差条件下，岩心挤入压裂液滤液前后渗透率变化值与岩心基质渗透率比值的百分数，％。二、实验步骤（一）表观粘度测定量取压裂液并加热至所测定温度的溶液350mL，用Fann-35型粘度计测定转速为100r/min（剪切速率为170s-1）,温度为所测定温度的粘度。（二）流变性测定（1）压裂液的KV、n值测定：将压裂液按测定筒要求装入样品杯中，将水浴锅预先加热到所需测定温度，待样品杯外加热套温度达到测定温度后，开始计算恒温时间。当达到选定的恒温时间开始测量，测量时剪切速率由低到高，使用RV2粘度计按仪器额定的a档1〜8档依次进行。在各档剪切时间为1min，测定一条初始流动曲线，剪切速率范围是0〜145.8s-1。然后在145.8s-1剪切速率下，使压裂液受到长时间连续剪切。每隔半小时测一条流动曲线，直到压裂液表观粘度值为50mPa·s时停止测定。测定时间也可以根据压裂作业施工时间确定。KV、n值为所测流动曲线KV、n值的算术平均值，也可根据工艺设计要求选取。（2）剪切稳定性测定装好样品按上述方法，开始时测定一条初始流动曲线，剪切速率范围是0〜145.8s-1。然后在145.8s-1剪切速率下使压裂液受到长时间连续剪切，直到压裂液表观粘度值为50mPa·s时停止测定。用表观粘度随剪切时间变化趋势表征剪切稳定性，剪切时间也可定为压裂作业施工的时间。（3）热稳定性测定将压裂液装好，加热升温到所需测量温度时，使压裂液在定剪切速率（一般145.8s-1)下剪切，剪切时间1min,读相对稳定值。然后恒温30min或60min，再剪切1min，依次进行，直到压裂液的表观粘度值达到50mPa•s为止。用表观粘度随恒温时间变化趋势表征热稳定性，选定测量温度为压裂液适用温度。（三）高温髙压静态滤失性测定测定不含支撑剂的压裂液在高温、高压条件下通过滤纸的滤失性；测定温度：压裂液适用温度范围；测定压力：仪器规定试验压差为3.5MPa;回压按仪器要求确定。（1）调整加热套温度，使加热套温度比测定温度高5〜10℃。（2）装入压裂液样品300mL，注意不得沾污“O”形密封圈。（3）在“O”形密封圈上仔细地放赏一片圆形滤纸，装好滤筒并放进加热套内，使之坐在底部的销子上。（4）对样品加热、加压。按仪器说明书中试验温度要求，给滤筒施加压力和回压，滤筒升温时间大约是30min，待滤筒温度达到测定温度时，用氮气压力源供给预定压力，隨即打开进气阀，旋松阀杆螺纹约二分之一转。（5）在放泄阀杆下放一个量筒，旋松阀杆螺纹二分之一转，使滤液开始流出，同时记录1，4，9，16，25，30，36min时的滤失量，精确到0.1mL。测定过程中，温度允许波动为±15℃。（四）压裂液滤液对岩心基质渗透率损害率测定（1）岩心选取和准备：最好使用在待压裂的地层中取得的天然岩心。如果没有，也可以使用与待压裂地层渗透率、孔隙度、岩性相似的其他地层或露头岩心，或制做与上述岩性相似的人造岩心进行试验。天然岩心应从煤层流体流动相同的方向钻取圆柱体.两端面磨平，并与光滑的圆柱面相垂直。岩心直径为25〜25.4mm或者37〜38mm，岩心长度为直径的1〜1.5倍。岩心必须彻底洗油。（2）标准盐水配制及处理：按照2.0%KC1+5.5%NaCl+0.45%MgCl2+0.55%CaCl2组成成分和浓度要求，准确称取所需KCl、NaCl、MgCl2、CaCl2加入到所需计量的蒸馏水中，可适当加热，不断搅拌，直到全部溶解。将配制好的标准盐水用φ100G4#玻璃过滤漏斗过滤，还需用真空泵脱气（3）煤油处理：用实验用煤油做模拟油，需将煤油用硅粉或活性白土处理，除去煤油中的水分及杂质，再用φ100G5#玻璃过滤漏斗过滤，还需用真空泵脱气（4）岩心气体渗透率测定按照SY5336—88中第7章进行。（5）岩心抽空饱和及孔隙体积测定a）将抽提烘干已恒量的岩心放入真空干燥器中，用真空泵抽空脱气，当真空度低于133Pa时抽空2〜8h，对于渗透率特别低的岩心，需适当延长抽空时间。b）缓慢引入已过滤抽空脱气的盐水到真空干燥器中，岩心逐步被盐水饱和，直到岩心完全浸入液体中，再继续抽空1h，使岩心饱和度尽量增高。停止抽空后，使真空干燥器缓慢与大气相通，在岩心恢复到大气压力状况后至少浸泡1h。c）将岩心取出，用滤纸迅速擦去岩心表面的液体并称量，岩心的孔隙体积等于岩心饱和液体后质量与饱和前质量之差除以饱和液体密度。（6）压裂液滤液的制取：按高温髙压静态滤失性测定测定方法，使滤失时间增加，收集全部压裂液滤液。（7）岩心基质渗透率测定a）挤盐水通过岩心：将岩心放入高温高压岩心流动试验仪夹持器中，接好试验流程，使盐水从岩心下端挤入，上端流出。挤入压差为0.7MPa,根据岩心渗透率大小，可以适当升高或降低挤入压差。要求通过盐水量为孔隙体积的10倍，使岩心进一步饱和盐水。b）测煤油通过岩心渗透率K1：使煤油从岩心下端挤入岩心，驱替岩心孔隙中的盐水，直到全出煤油，煤油流量稳定后测其流量，使所测渗透率误差不超过2%。试验压差选定为0.7，1，1.4MPa,根据岩心渗透率大小选其中一个压差值。c）压裂液滤液挤入岩心：将压裂液滤液装入高压容器中，用压力源加压，使滤液从岩心夹持器上端入口进入岩心（与挤盐水和煤油的方向相反）。挤入压差可根据岩心渗透率大小选用0.7，1，1.4MPa,挤入滤液暈以时间为36min为限，按1，4，9，16，25，30，36min计量体积。挤完后，关闭夹持器两端阀门，使滤液在岩心中停留2h。试验温度为压裂液适用温度。d）测煤油通过岩心渗透率K2：待岩心冷却到室温，按上述煤油通过岩心渗透率方法测定岩心受到压裂液滤液损害后的煤油渗透率K2，要求驱替煤油量为孔隙体积的5〜15倍。e）注水井压裂时岩心渗透率K1，K2：注水井压裂时岩心渗透率K1，K2均用盐水测定。（五）压裂液破胶性能测定测定压裂液破胶速度及完全破胶的时间，为压裂施工反排压裂液提供参考。将体积为50mL压裂液装入密闭容器内，放入主电热恒温器中加热恒温，恒温温度为煤层温度。使压裂液在恒温温度下破胶，取上面的淸液测定粘度。（1）破胶液粘度测定用品氏毛细管粘度计测定破胶液粘度，按操作说明书进行，测定温度为30℃或等于井口出气温度。（2）使用圆环法测定压裂液破胶液表面、界面张力，为优选适用的表面活性剂、助排剂提供参考，从而提高压裂液的返排率。a）测定试样在25℃的密度，准确至0.001克/毫升。b）把50〜75毫升25±1°C的蒸馏水倒入清洗过的试样杯中，将试样杯放到界面张力仪的试样座上，把清洗过的圆环悬挂在界面张力仪上。升髙可调节的试样座，使圆环浸人试样杯中心处的水中，目测至水下深度不超过6毫米为止。c）慢慢降低试样座，增加圆环系统的扭矩，以保持扭力臂在零点位置，当附着在环上的水膜接近破裂点时，应慢慢地进行调节，以保证水膜破裂时扭力臂仍在零点位置。当圆环拉脱时读出刻度数值，使用水和空气密度差（ρ0-ρ1）=0.997克/毫升这个值计算水的表面张力，计算结果应为71〜72毫牛顿/米。如果低于这个计算值，可能是由于界面张力仪调节不当或容器不净所致，应重新调节界面张力仪，清洗圆环和用热的铬酸洗液浸洗试样杯，然后重新测定。若测得仍较低，就要进一步提纯蒸饱水（例如：用碱性高锰酸钾溶液将蒸溜水重新蒸馏）。D）用蒸饱水测得准确结果后，将界面张力仪的刻度盘指针调回零点，升高可调节的试样座，使圆环浸入蒸饱水中的5毫米深度，在蒸馏水上慢慢倒入已调至25±1℃过滤后试样至约10毫米髙度，注意不要使圆环触及油-水界面。e）让油-水界面保持30±1秒，然后慢慢降低试样座，增加圆环系统的扭矩，以保持扭力臂在零点。当附着在圆环上水膜接近破裂点时，扭力臂仍在零点上。上述这些操作，即圆环从界面提出来的时间应尽可能地接近30秒。当接近破裂点时，应很缓慢地调节界面张力仪，因为液膜破裂通常是绥慢的，如果调节太快则可能产生滞后现象使结果偏高。从试样倒入试样杯，至油膜破裂全部操作时间大约60秒。记下圆环从界面拉脱时的刻度盘读数。（六）压裂液残渣含量测定残渣是压裂液常规破胶液中残存的不溶物质。测定残渣含量，为降低油层损害、提高裂缝导溶能力提供参考。（1）取试验用水和现场用水，分别制备冻胶压裂液。称取50g，其视密度为1g/cm3,认为是50mL,装入不锈钢容器罐加热恒温破胶，恒温温度为油层温度，恒温时间为压裂液彻底破胶时间，使压裂液彻底破胶为破胶液。（2）把破胶液全部倒入已烘干恒量的离心管中，将离心管放入离心机内，在3000r/min的转速下离心30min，然后慢慢倾倒出上层清液，再用水50mL洗涤不锈钢容器后倒入离心管中，用玻璃棒搅拌洗涤残渣样品，再放入离心机中离心20min，倾倒上层清液，将离心管放入恒温电热干燥箱中烘烤，在温度105℃±1℃条件下烘干至恒量。（七）压裂液与地层流体配伍性测定测定压裂液破胶液与地层水作用能否产生乳化及沉淀，以便采取措施减少其对地层渗透率的损害。（1）将地层水和压裂液破胶液分别按1∶2，1∶1，2∶1的体积比混合，总液量为50mL，装入容器置于电热恒温水浴锅中，加热恒温，恒温温度为压裂地层温度，地层温度大于95℃的都采用95℃。使搅拌器转速逐渐增到1400r/min后恒速搅拌，搅拌时间5min，然后将全部液体倒入刻度比色管中，记录实际乳状液的体积。取样在显微镜下观察乳状液的类型。（2）把装有乳化液的具塞刻度比色管放入恒温水浴锅中静置恒温。分别记录时间为3，5，10，15，30,60min及2，4，10，24h分离出的破胶液体积。（八）压裂液交联时间测定对延迟交联的压裂液，应测定交联时间，为现场施工提供依据。按制备冻胶的方法，用秒表记录交联剂溶液倒入混调器中直到形成均匀冻胶压裂液的时间。（九）压裂液降阻率测定测定不含支撑剂压裂液及清水在油管中流动的压力降，从而测定出压裂液的降阻率。其测定方法按SY5341—88中9.3进行。五、实验/实践结果处理（一）表观粘度溶液的表现浓度按下式计算：μ=式中：μ—溶液的粘度，mPa·s；α—粘度计指针读书；5.077—当α为1时的剪切应力值，10-1Pa；1.704—当每分钟转速为1时的剪切速率值，s-1；p—每分钟转速。同一试验条件下，应做两次平行试验，计算结果之差不大于1.5.结果去算数平均值。（二）流变性a）由仪器给定的等级表查出不同转速下的剪切速率值Dτ。b）由给定的等级表查出测量系统所对应剪切速率范围的圆筒系数，各剪切速率下的应力值τ，按下式计算：τ式中：τr--仪器内筒半径处剪切应力，Z--圆筒系数；α--指示仪读数。c）用τ，D在双对数坐标上怍图，τr为纵坐标，Dr为横坐标，作出流动曲线，取其直线段延长与纵坐标相交，其截距的反对数为Kv,斜率为nKv，n值也可以采用线性回归计算求出。d）表观粘度按下式计算：μ式中：f--仪器电源频率，Hz;μnv--表观粘度，mPa•sDr--剪切速率，s-1（三）高温髙压静态滤失性用压裂液在滤纸上的滤失数据，以滤失量为纵坐标，以时间平方根为横坐标，在直角坐标上作图。如滤失量与时间平方根关系在直角坐标图